JP2005083519A - ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 接線方向で且つリード角方向のボールのすくい上げを容易に実現すると共に、小ピッチのねじ溝に対しても適応できるボールねじ装置を提供する。
【解決手段】 ナット１４の外周部に形成された長孔２０に端部が嵌合される略コ字状のボール循環部材が、両端部に前記長孔２０に嵌合される脚部１９を有し、各脚部１９内にボール１５をすくい上げる通路２１（及び戻す通路）がそれぞれ前記脚部１９の外周面に対して傾斜して形成されたサイドキャップ１７であり、且つ前記長孔２０が両ねじ溝１１，１３のリード角方向に長い長孔とされ、更に、前記すくい上げ通路２１（戻し通路）を前記ねじ軸１２の接線方向とすると共に、前記両ねじ溝１１，１３のリード角方向に傾ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、各種産業機械等に用いられるボールねじ装置に関する。

図１１は従来の循環チューブ式ボールねじ装置の一例を示したものであり、このボールねじ装置１は、外周面に螺旋状のねじ溝２を有するねじ軸３に、内周面にねじ溝２に対応する螺旋状のねじ溝４を有するナット６が螺合されている。
ナット６のねじ溝４とねじ軸３のねじ溝２とは互いに対向して両者の間に螺旋状の負荷軌道を形成しており、該負荷軌道には転動体としての多数のボール５が転動可能に装填されている。そして、ねじ軸３（又はナット６）の回転により、ナット６（又はねじ軸３）がボール５の転動を介して軸方向に移動するようになっている。

また、ナット６の外周面の一部は平坦面とされ、この平坦面に両ねじ溝２、４に連通する２個一組の孔７をねじ軸３を跨ぐように形成して、この一組の孔７にボール循環部材の一例としての略コ字状の循環チューブ８の両端を嵌め込むことにより、両ねじ溝２、４間の負荷軌道に沿って公転するボール５を該負荷軌道の途中から循環チューブ８で掬い上げて元の負荷軌道に戻し、これにより、ボール５を無限循環させるようにしている。

ところで、ボールねじ装置では、予圧方式として、一般に、ねじ溝に対して数μｍサイズの大きなボール（鋼球）を挿入することによって、予圧をかけるオーバーサイズ予圧（Ｐ）、ねじ溝を多列化して、対向するそれぞれの列のリードを僅かにずらすことによって予圧をかけるダブルナット予圧（Ｄ）、オフセットリード予圧タイプ（Ｚ）がある。
ダブルナット予圧（Ｄ）では、ナットが軸方向に二つに分かれるため、締結部品のコストや組み立て作業に時間がかかることから、特に小リードの場合は、一つのナットの途中でリードを変化させたオフセットリード予圧方式がよく用いられる。
ボールねじ装置の循環方式としては、上述した循環チューブ式の他に、コマ式やエンドキャップ式と呼ばれる方式があり、これらの方式は概略表１のような特徴を持つ。

ボールねじ装置は高速化や高定格荷重化が要求されているため、負荷を受け持つボールの数を大きくする必要があるが、一方、一列の回路にあまり多くのボールを入れると、ボールどうしが競り合い作動性の面でデメリットとなるコマ式やエンドキャップ式といった循環方式は、表１に示すそれぞれの特徴から、高定格荷重化と作動特性等の両立することが難しい。

一方、循環チューブ方式は、ナットの側面方向からボールをナットのねじ溝から完全に離し、多列化が可能な外部循環方式であるため、特に小リード品の高定格荷重化には好適な循環方式である。
また、ボールねじ装置の高回転化に伴って、ボールが循環チューブに衝突するスピードが速くなっている。衝突スピードが速くなり、衝突エネルギーが大きくなると、循環チューブやねじ溝（ねじ溝の両肩部など含む）が破損して高速化への妨げとなるため、循環チューブによるボールのすくい上げ方向をねじ軸の略接線方向で、且つ略リード角方向に傾けたものが提案されている。

しかしながら、このようにねじ軸の接線方向で且つねじ溝のリード角方向にボールをすくい上げようとすると、循環チューブは複雑な形状となり（単純なコ字型ではなくＺ型）、ナットの平坦面に開けられる孔が単純な座ぐり孔では、該循環チューブの両端部を嵌め込むことができなくなる。
そこで、従来においては、図１２に示すように、ナット６の平坦面に形成する孔７を大きく座ぐったり、斜め（接線方向）に加工するなどの方法がとられてきた（例えば特許文献１参照）。
実開昭６３−１３２１５６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のボールねじ装置においては、ナット６の平坦面に形成する孔７の加工が複雑となり、また、孔７が大きいため、小リードや多条ねじのように小ピッチのねじ溝では該孔７が隣接するねじ溝に干渉してしまうという問題がある。 本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、略接線方向で、且つ略リード角方向のボールのすくい上げを容易に実現することができると共に、小リードや多条ねじのように小ピッチのねじ溝に対しても適応することができるボールねじ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に転動可能に装填された多数のボールと、前記両ねじ溝間を転動する前記ボールを途中ですくい上げた後に元の両ねじ溝間に戻して該ボールを無限循環させるべく前記ナットの外周部に形成された孔に端部が嵌合される略コ字状のボール循環部材とを備えたボールねじ装置において、
前記ボール循環部材は、両端部に前記ナットの前記孔に嵌合される脚部を有し、各脚部内に前記ボールをすくい上げる通路及び戻す通路がそれぞれ前記脚部の外周面に対して傾斜して形成されたサイドキャップであり、且つ前記孔が前記両ねじ溝の方向に略平行な長孔とされ、更に、前記すくい上げ通路及び前記戻し通路を前記ねじ軸の略接線方向とすると共に、前記両ねじ溝の略リード角方向に傾けたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記ボールが前記ねじ軸の前記ねじ溝から離れるすくい上げ点近傍で前記長穴の幅寸法を前記すくい上げ通路及び前記戻し通路の径と略同じにして、該長孔の側壁を前記ボールの循環経路の一部として用いることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、前記ボールが前記ねじ軸の前記ねじ溝から離れるすくい上げ点の前記ねじ軸の軸中心から見た角度を見かけのすくい上げ角度とした場合に、該見かけのすくい上げ角度を２０〜４５°、好ましくは３６°としたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ボール循環部材として、両端部にナットの孔に嵌合される脚部を有し、各脚部内にボールをすくい上げる通路及び戻す通路がそれぞれ脚部の外周面に対して傾斜して形成されたサイドキャップを用いているため、略接線方向で、且つ略リード角方向のボールのすくい上げを容易に実現することができる。
また、前記孔が隣接するねじ溝に干渉する方向（軸方向）ではなく、両ねじ溝のリード角方向に長い長孔となるので、小リードや多条ねじのように小ピッチのねじ溝に対しても適応することができ、しかもナット側の孔加工が単純化され低コスト化を図ることができる。

請求項２では、請求項１の発明に加えて、長孔の側壁をボールの循環経路の一部として用いることで、ナット側のねじ溝とねじ軸側のねじ溝との位置合わせが確実にでき、これにより、ボールがリード角方向に拘束されてねじ軸のねじ溝にスムーズに入る軌跡をとるため、高速耐久性及び低騒音化を実現することができる。
請求項３では、請求項１又は２の発明に加えて、見かけのすくい上げ角度を２０〜４５°とすることで、長孔の方向がナット側のねじ溝の螺旋方向へ近づくため、長孔と負荷溝（ボールが通る溝）との干渉を回避することができ、これにより、より小リードで、より小（リード／ボール径）に対応することができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置を説明するための説明図、図２は図１の径方向断面図、図３はサイドキャップ装着前のナットの平面図、図４は図２の上方から見た図、図５はサイドキャップを点対称で分割したサイドキャップ分割部材を示す図、図６は図５の矢印Ａ方向から見た図、図７は図５の矢印Ｂ方向から見た図、図８は図５の矢印Ｃ方向から見た図、図９は図５の矢印Ｄ方向から見た図、図１０は見かけのすくい上げ角度を説明するたための説明図である。

本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置１０は、図１及び図２に示すように、外周面に螺旋状のねじ溝１１を有するねじ軸１２に、内周面にねじ溝１１に対応する螺旋状のねじ溝１３を有するナット１４が嵌合されており、ナット１４のねじ溝１３とねじ軸１２のねじ溝１１とは互いに対向して両者の間に螺旋状の負荷軌道を形成している。該負荷軌道には転動体としての多数のボール１５が転動可能に装填されており、ねじ軸１２（又はナット１４）の回転により、ナット１４（又はねじ軸１２）がボール１５の転動を介して軸方向に移動するようになっている。

ナット１４の外周面の一部には平坦面１４ａが形成されており、該平坦面１４ａには、例えば、図４〜図９に示すように、一対のサイドキャップ分割部材２３を互いに接合して構成されたサイドキャップ１７が例えばねじ１８等の固定手段によって固定されている。なお、サイドキャップ分割部材２３は樹脂成形或いは金属成形等により製作される。
サイドキャップ１７は、キャップ本体１７ａと、該キャップ本体１７ａの下面側に設けられてねじ軸１２の軸方向に対して直角方向に延びる柱状又はブロック状等の一対の脚部１９とを備えており、一対の脚部１９は、ねじ軸１２の軸方向に互いに離間し、且つねじ軸１２の径方向に互いに離間して配置されている。

これらの脚部１９は前記ねじ溝１１，１３間の負荷軌道に連通してナット１４の平坦面１４ａに穿孔された二個一組の長孔２０（図３参照）に嵌合されており、かかる嵌合状態で前記キャップ本体１７ａがナット１４にねじ１８等の固定手段によって固定されている。なお、該固定は、サイドキャップ全体を覆うカバー形状のもので押えると騒音面でも有利となる。
また、サイドキャップ１７の各脚部１９の内部には、ねじ軸１２の略接線方向で、且つ両ねじ溝１１，１３のリード角と略一致する方向に延びるボールすくい上げ（又はボール戻し）通路２１が形成され、キャップ本体１７ａの内部には各ボールすくい上げ通路２１間を接続するボール通路２２が形成されている。
そして、これらの各ボールすくい上げ通路２１及びボール通路２２によって、前記両ねじ溝１１，１３間の軸方向の一方（又は他方）の負荷軌道を転動するボール１５をすくい上げて軸方向の他方（又は一方）の負荷軌道に戻すボール循環路をサイドキャップ１７内に形成している。

このサイドキャップ式ボールねじ装置１０が従来のボールねじ装置（チューブ式等）と異なる点としては、一対の脚部１９をナット１４の平坦面１４ａに形成した長孔２０にほとんど隙間なく、単純にはめ込みながら、脚部１９の内部に形成するボールすくい上げ通路２１の方向を脚部１９の外周面に対して傾けることが可能な点である。
このため、ナット１４の平坦面１４ａには、従来の循環チューブ式ボールねじ装置のように、ねじ軸１２に対して垂直方向に長孔２０を加工しておき、この長孔２０に単純にサイドキャップ１７の脚部１９をはめ込む構造としながら、脚部１９内に形成したボールすくい上げ通路２１のボール１５の進行方向をねじ軸１２の略接線方向で、且つ両ねじ溝１１，１３のリード角と略一致する方向に傾けることが可能となり、これにより、ナット１４の加工が簡単で、且つボール１５のすくい上げ通路及び戻し通路の設計的自由度の向上を図ることができる。なお、サイドキャップは樹脂成形化等によりコストダウンが可能である。

ここで、この実施の形態では、前記長孔２０が、隣接するナット１４のねじ溝１３に干渉する方向（軸方向）ではなく、図３に示すように、両ねじ溝１１，１３の略リード角方向に長い形状とされると共に、長孔２０の側壁をボール１５の循環経路の一部として用い、且つ後述する見かけのすくい上げ角度γを２０〜４５°としている。
図１０を参照して、脚部１９内にボール１５の進行方向をねじ軸１２の接線方向で、且つ両ねじ溝１１，１３のリード角と一致する方向に直線的に傾ける理想的なすくい上げ経路（以下、接線すくい上げ経路という）を形成した場合、その経路はナット１４の平坦面１４ａに対しては垂直ではない。従って、従来のボールねじ装置では、この経路を確保するためには加工工具を傾けてナットの平坦面に孔を穿孔する必要がある。

この傾け加工を避けるため、本発明では、ナット１４の平坦面１４ａに垂直でこの理想経路を包括するリード角方向に長い長孔２０の形状を考える。
まず、ナット１４のねじ溝１３に対する接線すくい上げ経路は変えずに、ナット１４の平坦面１４ａの角度を変えていく。
つまり、接線すくい上げの状態を保ちながら通常のすくい上げ角度を変化させると、この長孔２０の形状は変化する。
この場合のすくい上げ角度を見かけのすくい上げ角度γ（ボール１５がねじ軸１２のねじ溝１１から離れるすくい上げ点のねじ軸１２の軸中心から見た角度：図２参照））とし、この見かけのすくい上げ角度γを大きくしていくことによって、長孔２０が隣接するナット１４のねじ溝１３と干渉しづらくなることを利用して、小リードや多条ねじのように小ピッチのねじ溝に対しても適応することができる接線すくい上げを実現させる。

次に、見かけのすくい上げ角度γを変化させた場合に、長孔２０の形状が隣接するナット１４のねじ溝１３とどのような関係になるかを考える。
見かけのすくい上げ角度γが０°の場合、長孔２０の方向はナット１４の軸線に平行な方向に長い形状となり、当然、隣接するナット１４のねじ溝１３と干渉する可能性が大きくなり、現実的ではない。
見かけのすくい上げ角度γが３６°の場合、長孔２０の長手方向はナット１４のねじ溝１３とほぼ平行（リード角方向）になり、長孔２０の幅を多少大きくしても隣接するナット１４のねじ溝１３との干渉が抑えられることが判った。この場合の長孔２０の形状は、上述した理想経路を包括する最小の長孔と、ボール１５を循環させるための経路とを包括する最小の経路となる。

また、長孔２０の幅寸法を、ボール１５がねじ軸１２のねじ溝１１から離れるすくい上げ点近傍ですくい上げ通路２１の径と略同じにして、該長孔２０の側壁をボール１５の循環経路の一部として用いることで、ナット１４側のねじ溝１３とねじ軸１２側のねじ溝１１との位置合わせが確実にでき、これにより、ボール１５がリード角方向に拘束されてねじ軸１２のねじ溝１１にスムーズに入る軌跡をとるため、ボール１５とねじ溝１１（両肩部を含む）との衝突が抑制されて高速耐久性及び低騒音化を実現することができる。この場合、上記の設定とすることで、ボール１５の径をねじ溝１１，１３の溝ピッチの６５％以上にもすることができ、ボール径の大径化により高定格荷重化が可能になる。

このように、見かけのすくい上げ角度γは大きいほうが長孔２０の長手方向がナット１４のねじ溝１３と平行に近づき、隣接するねじ溝１３との干渉を抑えられる。但し、見かけのすくい上げ角度γが４５°を超えて大きくなりすぎると、長孔２０ひいてはサイドキャップ１７がナット１４の平坦面１４ａの中心側に寄ってしまうため、小ピッチの場合に隣接するねじ溝に干渉する虞れがある。
これらのことから、見かけのすくい上げ角度γを２０゜〜４５°の間とすれば、小ピッチの仕様でも、隣接するねじ溝との干渉を避けた設定が可能であり、この長孔は、単純な形状となるため、加工が容易である。長孔の角度θ（図３参照）は溝と溝とのピッチが大きくなるような仕様（リード、ボール径）の場合は、溝と長孔の干渉がなければ、より加工しやすいようにθ＝０でも可能である。

ここで言う、接線すくい上げとは、すくい上げ角度γ、リード角とも完全な接線方向に限定するものではなく、ともに±１０°程度のずれは騒音面などにも大きな悪影響が無い。このため、設計仕様により、接線方向の±１０°程度にすくい上げるようにすくい上げの経路を設定すれば良い。また、ねじ溝とすくい上げ経路間の段差寸法が大きくなると、ボールの乗り越え音が大きくなり、騒音、耐久性の面で悪影響があるため、前記段差寸法は、ボール径の２％程度に抑えるようにするのが好ましい。

本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置を説明するための説明図である。 図１の径方向断面図である。 サイドキャップ装着前のナットの平面図である。 図２の上方から見た図である。 サイドキャップを点対称で分割したサイドキャップ分割部材を示す図である。 図５の矢印Ａ方向から見た図である。 図５の矢印Ｂ方向から見た図である。 図５の矢印Ｃ方向から見た図である。 図５の矢印Ｄ方向から見た図である。 見かけのすくい上げ角度を説明するための説明図である。 従来の循環チューブ式ボールねじ装置の一例を示す断面図である。 従来の他の例の循環チューブ式ボールねじ装置のナット及び循環チューブを示す一部を破断した図である。

符号の説明

１０ ボールねじ装置
１１ ねじ溝（ねじ軸側）
１２ ねじ軸
１３ ねじ溝（ナット側）
１４ ナット
１５ ボール
１７ サイドキャップ
１９ 脚部
２０ 長孔
２１ ボールすくい上げ通路（ボール戻し通路）

Claims (3)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に転動可能に装填された多数のボールと、前記両ねじ溝間を転動する前記ボールを途中ですくい上げた後に元の両ねじ溝間に戻して該ボールを無限循環させるべく前記ナットの外周部に形成された孔に端部が嵌合される略コ字状のボール循環部材とを備えたボールねじ装置において、
   前記ボール循環部材は、両端部に前記ナットの前記孔に嵌合される脚部を有し、各脚部内に前記ボールをすくい上げる通路及び戻す通路がそれぞれ前記脚部の外周面に対して傾斜して形成されたサイドキャップであり、且つ前記孔が前記両ねじ溝の方向に略平行な長孔とされ、更に、前記すくい上げ通路及び前記戻し通路を前記ねじ軸の略接線方向とすると共に、前記両ねじ溝の略リード角方向に傾けたことを特徴とするボールねじ装置。
2. 前記ボールが前記ねじ軸の前記ねじ溝から離れるすくい上げ点近傍で前記長穴の幅寸法を前記すくい上げ通路及び前記戻し通路の径と略同じにして、該長孔の側壁を前記ボールの循環経路の一部として用いることを特徴とする請求項１に記載したボールねじ装置。
3. 前記ボールが前記ねじ軸の前記ねじ溝から離れるすくい上げ点の前記ねじ軸の軸中心から見た角度を見かけのすくい上げ角度とした場合に、該見かけのすくい上げ角度を２０〜４５°としたことを特徴とする請求項１又は２に記載したボールねじ装置。

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